运算装置、运算方法和气体检测系统

文档序号:1926567 发布日期:2021-12-03 浏览:4次 >En<

阅读说明:本技术 运算装置、运算方法和气体检测系统 (Calculation device, calculation method, and gas detection system ) 是由 服部将志 下舞贤一 恩田阳介 于 2020-04-17 设计创作,主要内容包括:本发明提供能够简便地对检测元件的经时劣化进行修正的运算装置、运算方法和气体检测系统。运算装置包括计算部。上述计算部用于对会因气体的吸附而发生共振频率变化的检测元件,根据上述检测元件的劣化状态下的伴随湿度变化的共振频率变化量和预先获取的上述检测元件的初始状态下的伴随湿度变化的共振频率变化量来计算修正系数,使用上述修正系数对劣化状态的上述检测元件的共振频率变化量进行修正。(The invention provides an arithmetic device, an arithmetic method and a gas detection system capable of simply correcting the aging degradation of a detection element. The arithmetic device includes a calculation unit. The calculation unit calculates a correction coefficient for a detection element, which has a resonance frequency that changes due to adsorption of gas, based on a change amount of the resonance frequency associated with a change in humidity in a deteriorated state of the detection element and a previously acquired change amount of the resonance frequency associated with a change in humidity in an initial state of the detection element, and corrects the change amount of the resonance frequency of the detection element in the deteriorated state using the correction coefficient.)

运算装置、运算方法和气体检测系统

技术领域

本发明涉及气体检测的运算装置、运算方法和气体检测系统。

背景技术

为了识别作为多种气体成分的集合体的气味,将多个具有不同化学性质的吸附膜阵列化做成多阵列传感器,使气味模式化的气味传感器的开发近年来变得活跃。通过使用这样的气味传感器,能够区分舒适的气味和不舒适的气味,已开始研究将气味传感器应用于室内或车内的环境管理、工厂的工序管理、用于检测初期火灾或会对人体造成影响的恶臭的环境监测等到目前为止由人进行感官评价的领域。

例如,气味传感器使用在石英振子上设置有吸附膜的检测元件。石英振子的共振频率与吸附在吸附膜上的气体的重量成比例地减少,因此,能够根据共振频率的变化量来检测气体。因此,吸附气味物质的吸附膜的经时劣化导致的灵敏度水平的降低,会对气味传感器的可靠性造成影响。经时劣化导致的吸附膜的劣化的主要原因是,在使用传感器时吸附的气味成分无法从吸附膜脱离,持续停留在吸附膜中,从而导致气味成分逐渐堆积。

专利文献1中公开了下述内容:在检测部检测气味之前或之后,为了减少可能成为检测误差的主要原因,通过对收纳检测元件的收纳部的内部进行除气或除臭来进行刷新处理,对检测部进行初始化。

另外,为了除去吸附在吸附膜上的气味成分,例如在吸附膜为有机膜的情况下,也有进行加热处理来对吸附膜进行刷新的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:国际公开第2017/145933号

发明内容

发明要解决的技术问题

在专利文献1中,通过刷新处理进行检测部的初始化来对检测元件的经时劣化进行修正,但是存在即使通过刷新处理在常温下也难以脱离的气味成分吸附在检测元件的吸附膜上的情况。在这样的情况下,更换检测部是最简单的,但是存在花费工夫和成本的问题。

另外,利用加热处理进行的刷新需要数小时,在刷新的期间,无法进行气体检测,时间效率差。另外,存在因加热处理而发生吸附膜的热分解或热劣化的情况,难以以稳定的检测灵敏度进行气体检测。

鉴于如上所述的情况,本发明的目的在于提供能够简便地对检测元件的经时劣化进行修正的运算装置、运算方法和气体检测系统。

用于解决技术问题的手段

为了实现上述目的,本发明的一个方式提供一种运算装置,其包括计算部。

上述计算部用于对会因气体的吸附而发生共振频率变化的检测元件,根据上述检测元件的劣化状态下的伴随湿度变化的共振频率变化量和预先获取的上述检测元件的初始状态下的伴随湿度变化的共振频率变化量来计算修正系数,使用上述修正系数对劣化状态的上述检测元件的共振频率变化量进行修正。

根据本发明的如上所述的技术方案,能够根据初始状态和劣化状态各自的检测元件的伴随湿度变化的共振频率变化量,推算吸附膜的吸附位点中的、除了被不脱离的气味成分占有的吸附位点以外的能够吸附的吸附位点的比例。计算该能够吸附的吸附位点的比例作为修正系数,使用该修正系数对共振频率变化量进行修正,从而能够换算为与初始状态大致相同的输出水平的共振频率量。从而,能够以与初始状态大致相同的灵敏度水平进行气体的检测,能够简便地对检测元件的经时劣化进行修正。

可以是,还包括存储部,其存储上述检测元件的初始状态下的伴随湿度变化的共振频率变化量。

可以是,上述存储部存储上述修正系数。

可以是,上述检测元件包括振子和设置在上述振子上的用于吸附上述气体的吸附膜,上述存储部存储上述吸附膜的种类彼此不同的多个检测元件各自的初始状态下的伴随湿度变化的共振频率变化量。

可以是,还包括判断部,其基于从零点的气体所到达的劣化状态的上述检测元件检测出的共振频率与预先获取的从上述零点的气体所到达的初始状态的上述检测元件检测出的共振频率之差,来判断上述检测元件的寿命。

为了实现上述目的,本发明的一个方式提供一种运算方法,其特征在于,计算会因气体的吸附而发生共振频率变化的检测元件的劣化状态下的伴随湿度变化的共振频率变化量,根据劣化状态的上述检测元件的伴随湿度变化的共振频率变化量和预先获取的上述检测元件的初始状态下的伴随湿度变化的共振频率变化量来计算修正系数,使用上述修正系数对劣化状态的上述检测元件的共振频率变化量进行修正。

可以是,上述检测元件的伴随湿度变化的共振频率变化量的计算,基于在零点的气体和湿度与上述零点的气体不同的气体分别到达的上述检测元件中检测出的共振频率来计算。

可以是,上述零点的气体是进行了除湿和除臭的气体。

可以是,基于从上述零点的气体所到达的劣化状态的上述检测元件检测出的共振频率与预先获取的从上述零点的气体所到达的初始状态的上述检测元件检测出的共振频率之差,判断上述检测元件的寿命。

为了实现上述目的,本发明的一个方式提供一种气体检测系统,其包括气体传感器和运算装置。

上述气体传感器包括会因气体的吸附而发生共振频率变化的检测元件。

上述运算装置包括计算部,该计算部用于根据上述检测元件的劣化状态下的伴随湿度变化的共振频率变化量和预先获取的上述检测元件的初始状态下的伴随湿度变化的共振频率变化量来计算修正系数,使用上述修正系数对劣化状态的上述检测元件的共振频率变化量进行修正。

可以是,上述气体传感器包括:配置有除湿和除臭机构第一流路,其用于将通过了上述除湿和除臭机构的上述检测对象气体引导至上述检测元件;配置有除臭机构的第二流路,其用于将通过了上述除臭机构的上述检测对象气体引导至上述检测元件;和第三流路,其用于将上述检测对象气体直接引导至上述检测元件。

发明效果

如上所述,采用本发明,能够简便地对检测元件的经时劣化进行修正。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的气体检测系统的结构的概略示意图。

图2是构成上述气体检测系统的一部分的气体传感器中包含的QCM的正面图。

图3是表示构成上述气体传感器的一部分的各QCM的相对于湿度的共振频率变化的图。

图4是表示构成上述气体传感器的一部分的其它各QCM的相对于湿度的共振频率变化的图。

图5是用于对上述气体检测系统中的各QCM的气体检测方法进行说明的图。

图6是用于对第一实施方式中的气体检测系统的运算装置中的气体检测的运算方法进行说明的流程图。

图7是用于对第一实施方式中的气体检测系统的运算装置中的QCM寿命判断的运算方法进行说明的流程图。

图8是用于对QCM的寿命判断进行说明的图。

图9是表示本发明的第二实施方式的气体检测系统的结构的概略图。

图10是用于对第二实施方式的气体检测系统的运算装置中的气体检测的运算方法进行说明的流程图。

具体实施方式

下面,参照附图对本发明的实施方式进行说明。

在下面的说明中,将还没有进行气味检测的状态的QCM、吸附膜称为初始状态的QCM、初始状态的吸附膜。为了方便起见,将进行气味检测并经过了一定程度的时间的经时劣化后的QCM、吸附膜称为劣化状态的QCM、劣化状态的吸附膜来进行说明。

<第一实施方式>

图1是第一实施方式的气体检测系统1的概略示意图。

如图1所示,气体检测系统1包括气体传感器2、运算装置4和显示装置5。

如图1所示,气体传感器2具有:吸气口21;作为4个流路的第一流路24、第二流路25、第三流路26和第四流路27;和作为供通过了4个流路24~27的气体流入的1个流路的第五流路28。

吸气口21用于从外部吸入检测对象气体23。

从吸气口21吸入的气体能够被引导至4个流路24~27中的至少1个流路。

各流路24~27能够将检测对象气体23引导至配置在第五流路28上的多阵列传感器6。

能够利用未图示的风扇、泵等以机械方式将气体以一定的流速导入各流路24~27。从而,能够消除由流速的差异等引起的压力变化所带来的干扰因素。另外,在各流路24~27中设置有未图示的阀,能够利用阀的开闭来控制有无从外部向各流路24~27导入气体。

如图1所示,气体传感器2包括除湿除臭过滤器32、除臭过滤器33、温湿度传感器30、多阵列传感器6、第一频率计数电路31a、第二频率计数电路31b、第三频率计数电路31c、第四频率计数电路31d、第五频率计数电路31e和第六频率计数电路31f。

在不需要特别区分第一频率计数电路31a、第二频率计数电路31b、第三频率计数电路31c、第四频率计数电路31d、第五频率计数电路31e和第六频率计数电路31f的情况下,有时称为频率计数电路31进行说明。

作为除湿和除臭机构的除湿除臭过滤器32,用于除去被吸入的气体的湿度、气味。除湿除臭过滤器32配置在第一流路24上。通过第一流路24的气体由除湿除臭过滤器32进行除湿、除臭处理。这样,第一流路24作为能够始终将一定水平的清洁的气体引导至多传感器阵列6的流路发挥作用。通过了第一流路24的清洁的气体能够作为传感器的零点的气体使用。

如上所述,通过设置除湿除臭过滤器32,即使不准备标准气体,也能够将检测对象气体23作为零点的气体使用。

在除湿除臭过滤器32中,可以将用于除去湿度、亲水性的气味成分的硅胶、分子筛等湿度除去效果高的材料和用于除去气味成分的活性炭、沸石等气味吸附效果高的材料组合使用。

作为除臭机构的除臭过滤器33,用于除去被吸入的气体的气味。除臭过滤器33配置在第二流路25上。通过第二流路25的气体由除臭过滤器33进行除臭处理。这样,第二流路25作为能够将除去了气味成分的气体引导至多传感器阵列6的流路发挥作用。

在除臭过滤器33中,可以使用用于除去气味成分的活性炭、沸石等气味吸附效果高的材料。

在第三流路26上没有配置除湿除臭过滤器、除臭过滤器等,从外部吸入的检测对象气体23被直接导入到第三流路26。第三流路26将用于监测气味的检测对象气体23引导至配置在第五流路28上的多阵列传感器6。

温湿度传感器30用于对检测对象气体23的温度、湿度进行检测。温湿度传感器30配置在第四流路27上。由温湿度传感器30检测出的温度、湿度信息被输出至运算装置4。

由运算装置4,基于由温湿度传感器30检测出的温度,对在各QCM 10a~10f各自中检测出的共振频率进行修正,以消除由温度引起的共振频率变化。从而,能够检测出没有温度影响的共振频率变化。此外,在下面的说明中,省略对使用由温湿度传感器30检测出的温度进行的修正的说明。

另外,由运算装置4,基于由温湿度传感器30检测出的湿度,对在各QCM 10a~10f各自中检测出的共振频率进行修正。详细内容将在后面进行说明。

温湿度传感器30例如可以使用盛思锐(Sensirion)公司生产的数字温湿度传感器(型号:SHT21)。

多阵列传感器6具有多个作为检测元件的QCM 10。在本实施方式中,举出包括6个QCM的例子,但是只要至少有1个即可。

多阵列传感器6包括:作为第一检测元件的第一QCM传感器元件(下面称为第一QCM)10a;作为第二检测元件的第二QCM传感器元件(下面称为第二QCM)10b;作为第三检测元件的第三QCM传感器元件(下面称为第三QCM)10c;作为第四检测元件的第四QCM传感器元件(下面称为第四QCM)10d;作为第五检测元件的第五QCM传感器元件(下面称为第五QCM)10e;和作为第六检测元件的第六QCM传感器元件(下面称为第六QCM)10f。

第一QCM 10a、第二QCM 10b、第三QCM 10c、第四QCM 10d、第五QCM 10e和第六QCM10f均具有包括作为振子的石英振子和设置在该石英振子上的用于吸附特定气体的吸附膜的结构,只是吸附膜的种类不同,基本结构相同。下面,在不需要特别区分第一QCM 10a、第二QCM 10b、第三QCM 10c、第四QCM 10d、第五QCM 10e和第六QCM 10f的情况下,有时称为QCM 10进行说明。

如图2所示,QCM 10具有石英振子13、电极11、吸附膜12、引线焊盘16A、引线焊盘16B、引线14A、引线14B、引脚端子19A、引脚端子19B和保持件18。石英振子13是AT切割的晶片。

QCM 10的石英振子13的共振频率会与吸附在吸附膜12上的气体的重量成比例地减少,因此,能够对各QCM计算共振频率的变化量,基于该计算结果,检测在检测对象气体中是否包含作为吸附膜12的检测目标的气体。

在本实施方式中,检测元件使用石英振子,但是并不限于此。例如,除了石英振子以外,也可以使用陶瓷振子、表面弹性波元件、悬臂、膜片等,只要是能够检测出吸附膜的由气体吸附引起的重量增加、膨胀应力增加等物理变化并将其转换为电信号的元件,就能够应用。

下面,将第一QCM 10a所具有的吸附膜称为第一吸附膜12a,将第二QCM 10b所具有的吸附膜称为第二吸附膜12b,将第三QCM 10c所具有的吸附膜称为第三吸附膜12c,将第四QCM 10d所具有的吸附膜称为第四吸附膜12d,将第五QCM 10e所具有的吸附膜称为第五吸附膜12e,将第六QCM 10f所具有的吸附膜称为第六吸附膜12f。

电极11分别形成在石英振子13的两面上,吸附膜12形成在形成于石英振子13的一个面上的电极11上。引线焊盘16A与形成在一个面上的电极11一体形成,引线焊盘16B与形成在另一个面上的电极11一体形成。

引线14A和引线14B由金属弹簧材料构成,彼此平行地配置。

引线14A的一端经由引线焊盘16A与形成在一个面上的电极11电连接,引线14A的另一端与引脚端子19A连接。引线14B的一端经由引线焊盘16B与形成在另一个面上的电极11电连接,引线14B的另一端与引脚端子19B连接。

引脚端子19A和引脚端子19B被设置在基板上的保持件18支承,石英振子13可振动地被保持件18支承。

QCM 10的引脚端子19A和19B与未图示的振荡电路连接,用于对QCM 10施加驱动电压。当QCM 10被施加驱动电压时,石英振子13以固有的共振频率进行振动。

吸附膜12会通过吸附气体而质量发生变化,石英振子13的振荡频率会与吸附膜12的吸附量相应地降低。这样,在QCM 10中,能够将由气体吸附引起的重量变化作为共振频率变化来进行气体检测。而且,能够与频率的变化量相应地对气体浓度进行定量。

第一QCM 10a、第二QCM 10b、第三QCM 10c、第四QCM 10d、第五QCM 10e、第六QCM10f分别与作为共振频率测量部的第一频率计数电路31a、第二频率计数电路31b、第三频率计数电路31c、第四频率计数电路31d、第五频率计数电路31e、第六频率计数电路31f连接。

频率计数电路31用于测量QCM 10的吸附膜12的共振频率。由各频率计数电路31a~31f测量出的共振频率的电信号被输出至运算装置4。

第一吸附膜12a、第二吸附膜12b、第三吸附膜12c、第四吸附膜12d、第五吸附膜12e、第六吸附膜12f分别由不同种类的吸附膜构成。

在本实施方式中,第一吸附膜12a是含氟的聚合物材料(产品名:FS-2040(FluoroTechnology公司生产))的吸附膜,能够选择性地吸附亲油性气体。

第二吸附膜12b是含氟的双极性聚合物材料(产品名:FS-6130(FluoroTechnology公司生产))的吸附膜,能够选择性地吸附亲水性气体、亲油性气体。

第三吸附膜12c是油性烃材料Squalene(富士胶片和光纯药公司生产)的吸附膜,能够选择性地吸附亲水性气体、亲油性气体。

第四吸附膜12d是乙酸-丙酸纤维素(Cellulose Acetate Propionate)(CAP-482,EASTMAN生产)的吸附膜,能够选择性地吸附亲水性气体。

第五吸附膜12e是聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))(产品名:PEDOT687316,Ardrich公司生产)的吸附膜,能够选择性地吸附亲水性气体。

第六吸附膜12f是乙酸-丁酸纤维素(Cellulose Acetate Butyrate)(CAB-553,EASTMAN生产)的吸附膜,能够选择性地吸附亲水性气体。

图3的(A)、(B)、(C)分别是用于对第一QCM 10a、第二QCM 10b、第三QCM 10c的伴随要检测的气体的湿度变化的共振频率变化进行说明的图。

图4的(A)、(B)、(C)分别是用于对第四QCM 10d、第五QCM 10e、第六QCM 10f的伴随要检测的气体的湿度变化的共振频率变化进行说明的图。

在任一图中,均图示了对改变到达各QCM的气体的湿度而测量的共振频率进行绘图而得到的近似线。

如图3和图4所示,因为吸附膜12的种类不同,所以各自的共振频率不同,但是在QCM 10a~10f的任一者中,共振频率都随着气体的湿度变化而大致线性地变化。

运算装置4包括获取部41、计算部42、判断部43、输出部44、存储部45和识别部46。

存储部45预先存储在零点的气体所到达的初始状态的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率和伴随湿度变化的共振频率变化量。

上述在初始状态的QCM 10中检测出的共振频率,是在外部的气体通过第一流路24而被除湿和除臭后的清洁的气体(零点的气体)到达没有膜劣化的初始状态的QCM 10时检测出的共振频率。该共振频率按QCM 10a~10f中的每个预先获取并存储。

上述伴随湿度变化的共振频率变化量,是基于外部的气体通过第一流路24得到的零点的气体到达初始状态的QCM 10时检测出的共振频率、外部的气体通过第二流路25被除臭后的气体到达初始状态的QCM 10时检测出的共振频率、和外部的气体通过第四流路27由温湿度传感器30检测出的湿度信息而预先计算出的、相对于相对湿度1%的变化的QCM 10的共振频率变化量。该共振频率变化量按QCM 10a~10f中的每个预先计算并存储。

存储部45将由后述的计算部42计算出的修正系数Rc与计算的日期时间信息建立关联地按时间序列存储。修正系数Rc的计算可以是定期地进行,也可以是由用户在任意的时刻进行。

另外,存储部45对不同种类的每种气体预先存储由多阵列传感器6检测出各种气体时的参照用检测模式。

识别部46将由后述的计算部42使用修正系数修正后的检测模式与预先存储在存储部45中的参照用检测模式进行对照,通过基于机器学习的模式识别来识别气体的有无和气体的种类。

获取部41获取由各频率计数电路31a~31f检测出的各QCM 10a~10f的共振频率、和由温湿度传感器30检测出的温度和湿度信息。

更详细而言,获取部41获取在检测对象气体23通过第一流路24被除湿和除臭而得到的、所谓零点的气体所到达的劣化状态的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率。

获取部41获取在检测对象气体23通过第二流路25而被除臭后的气体所到达的劣化状态的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率。

获取部41获取在通过了第三流路26的检测对象气体23所到达的劣化状态的各QCM10a~10f中检测出的共振频率。

获取部41获取由第四流路27的温湿度传感器30检测出的温度和湿度信息。

计算部42在计算后述的修正系数Rc的情况下,基于在分别通过了第一流路24、第二流路25的气体所到达的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率、由温湿度传感器30检测出的湿度信息,计算相对于相对湿度1%的变化的各QCM 10a~10f的共振频率变化量。

计算部42在计算修正系数Rc的情况下,获取存储部45中存储的初始状态的各QCM10a~10f的相对于湿度变化的共振频率变化量。

计算部42将劣化状态的各QCM 10a~10f的相对于湿度变化的共振频率变化量ΔF(a)与存储部45中存储的初始状态的各QCM 10a~10f的相对于湿度变化的共振频率变化量ΔF(0)的比例Rc作为修正系数,使用下式进行计算。

Rc=ΔF(0)/ΔF(a)

式中,ΔF(a)是劣化状态的吸附膜中的相对于相对湿度1%的变化的共振频率变化(Hz),ΔF(0)是初始状态的吸附膜中的相对于相对湿度1%的变化的共振频率变化(Hz)。

修正系数Rc的计算按QCM 10a~10f中的每一个进行计算。计算出的修正系数Rc被存储在存储部45中。

计算部42在不计算修正系数Rc的情况下,获取存储部45中存储的最新的修正系数Rc。

计算部42基于在通过了第三流路26的检测对象气体23所到达的劣化状态的各QCM10a~10f中检测出的共振频率,来计算共振频率变化量。

进而,计算部42使用修正系数Rc,对通过了第三流路26的检测对象气体23所到达的劣化状态的各QCM 10a~10f的共振频率变化量进行修正。

更具体而言,对通过了第三流路26的检测对象气体23所到达的劣化状态的各QCM10a~10f的共振频率变化量的值乘以修正系数Rc来对共振频率变化量进行修正。由此,能够将共振频率变化量修正为与初始状态大致相同的传感器灵敏度水平时的输出值。关于具体的例子,将使用图5在后面进行说明。

如上所述,通过了第一流路24和第二流路25的气体所到达的各QCM 10a~10f中的检测结果,被用于修正系数Rc的计算。

修正系数Rc的计算和使用修正系数Rc进行的共振频率变化量的修正,可以说是以使劣化状态的QCM的输出值成为与初始状态大致相同的灵敏度水平时的输出值的方式进行校准的工序。

该校准工序中的修正系数Rc的计算,不需要在每次利用气体传感器2进行气体检测时进行,例如可以是每隔1个月这样的每隔规定的期间自动地进行,也可以是由用户在任意的时刻进行。

而且,通过将在校准工序中计算出的各QCM 10a~10f的修正系数Rc存储在存储部45中,在下一次计算修正系数Rc之前,能够使用存储在存储部45中的最近计算出的修正系数Rc来进行共振频率变化量的修正。

因此,在不进行修正系数Rc的计算的期间的利用气体检测系统1进行的气体检测中,可以不一定进行通过了第一流路24和第二流路25的气体的检测。这样,第一流路24和第二流路25能够用于校准工序。

判断部43根据从通过了第一流路24的零点的气体所到达的劣化状态的QCM 10检测出的共振频率与预先获取并存储在存储部45中的从通过了第一流路24的零点的气体所到达的初始状态的QCM 10检测出的共振频率之差,判断QCM 10的寿命。

当吸附膜12因经时劣化而到达寿命时,QCM 10无法具有稳定的振荡特性。在这样的状态下,即使计算使用修正系数修正后的共振频率变化量,也无法充分地对共振频率变化量进行修正。

在本实施方式中,在从通过了第一流路24的零点的气体所到达的劣化状态的QCM10检测出的共振频率与预先获取并存储在存储部45中的从通过了第一流路24的零点的气体所到达的初始状态的QCM 10检测出的共振频率之差超过阈值的情况下,能够判断为QCM10已到达寿命。用于寿命判断的阈值根据QCM的谐振频带而不同,可根据吸附膜12的种类而分别设定。

在此,从零点的气体所到达的劣化状态的QCM 10检测出的共振频率与从零点的气体所到达的初始状态的QCM 10检测出的共振频率之差,是因经时劣化而累计的频率。能够根据该共振频率的差来推算劣化状态的QCM 10的负电阻。在振荡电路的负电阻与石英振子的等效串联谐振电阻相比足够大的情况下,能够获得稳定的振荡特性,在并非如此的情况下,无法获得稳定的振荡特性。

作为一个例子,图8表示分别包括不同的2种吸收膜的共振频率为32MHz的QCM的负电阻与共振频率的关系。圆形的绘图和菱形的绘图分别表示包括不同种类的吸收膜的QCM。

如图8所示,随着共振频率的变化,负电阻线性地变化。在图8所示的例子中,当QCM的负电阻超过500Ω时,QCM无法进行稳定的振荡。在将负电阻超过500Ω时设为寿命的情况下,在劣化状态与初始状态下的共振频率之差大于作为阈值的200,000Hz的情况下,判断为QCM已到达寿命。

这样,在伴随共振振动的QCM中,能够根据负电阻来估计无法稳定地振荡的共振频率,能够根据推算出的负电阻来判断QCM的寿命。从而,在判断为已到达寿命的情况下,能够迅速地进行QCM和气体传感器的更换,在从QCM和气体传感器的使用开始到更换为止的期间,能够维持与初始状态的灵敏度水平大致相同的水平,能够稳定地进行气体检测。

输出部44用于将由计算部42使用修正系数计算出的各QCM 10a~10f的共振频率变化量、由识别部46识别出的检测气体的识别结果、检测气体的定量分析结果、由判断部43判断出的寿命判断结果输出至显示装置5。

显示装置5具有显示部,能够将从运算装置4输出的各QCM 10a~10f的修正后的共振频率变化量、检测气体的识别结果、气体浓度、寿命判断结果等显示在显示部上。用户能够通过确认显示部来掌握检测出的气体的种类、浓度、QCM和气体传感器的更换时期。

接着,使用图6的流程图说明由运算装置4进行的修正系数的计算、使用修正系数的共振频率变化量的计算的运算方法。

如图6所示,由获取部41获取从各频率计数电路31a~31f输出的通过了第一流路24的气体所到达的劣化状态的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率的电信号(St1)。

接着,由获取部41获取从各频率计数电路31a~31f输出的通过了第二流路25的气体所到达的劣化状态的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率的电信号(St2)。

接着,由获取部41获取由温湿度传感器30检测出的湿度信息(St3)。

接着,由计算部42,使用作为在St1中获取的通过了第一流路24的气体的检测结果的共振频率、作为在St2中获取的通过了第二流路25的气体的检测结果的共振频率、和由温湿度传感器30检测出的湿度信息,计算相对于相对湿度1%的变化的劣化状态的各QCM 10a~10f的共振频率变化量ΔF(a)(St4)。

通过了第一流路24的气体和通过了第二流路25的气体均为被除臭而除去了气味成分的气体。通过了第一流路24的气体是被除湿而除去了水分的气体,通过了第二流路25的气体是未被除湿的气体,两者的湿度不同。因此,能够根据在St1中获取的共振频率、在St2中获取的共振频率、和在St3中获取的湿度信息,计算相对于相对湿度1%的变化的劣化状态的各QCM 10a~10f的共振频率变化量。

接着,由计算部42获取预先存储在存储部45中的初始状态的各QCM 10a~10f的相对于湿度变化的共振频率变化量ΔF(0)(St5)。

接着,计算在St4中计算出的共振频率变化量ΔF(a)与在St5中获取的共振频率变化量ΔF(0)的比例Rc作为修正系数(St6)。修正系数Rc按QCM 10a~10f中的每一个进行计算。

接着,由获取部41获取从各频率计数电路31a~31f输出的通过了第三流路26的气体所到达的劣化状态的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率(St7)。

接着,使用在St7中获取的共振频率来计算劣化状态的各QCM 10a~10f的共振频率变化量,对该共振频率变化量乘以在St6中计算出的修正系数Rc来对共振频率变化量进行修正(St8)。

使用修正系数Rc修正并计算出的共振频率变化量,跟以与初始状态的气体传感器2相同的灵敏度水平检测出的值大致相同。

下面,使用图5说明使用修正系数Rc计算出的共振频率变化量与在初始状态的气体传感器2中检测的情况下的共振频率变化量大致一致的情况。

在图5中,修正系数Rc通过初始状态的伴随湿度变动的共振频率变化量ΔF(0)与经时劣化后(劣化状态)的伴随湿度变动的共振频率变化量ΔF(a)之比来求出。

初始状态的乙醇(100ppm)的共振频率变化量,是初始状态的QCM 10的乙醇检测时的共振频率变化量。经时劣化后(劣化状态)的乙醇(100ppm)的共振频率变化量,是劣化状态的QCM 10的乙醇检测时的共振频率变化量。

修正后的共振频率变化量,是将经时劣化后(劣化状态)的乙醇(100ppm)的共振频率变化量乘以修正系数Rc而得到的值。

输出一致率表示修正后的共振频率变化量相对于初始状态的QCM 10的乙醇检测时的共振频率变化量的一致率。

在此,在劣化状态的QCM 10的吸附膜12中,一部分吸附位点被不脱离的气味成分占有,成为仅能够吸附在空闲的吸附位点上的状态。因此,在劣化状态的QCM 10中,与初始状态的QCM 10相比,由吸附引起的频率变化量变小。

如上述的图3和图4所示,各QCM的伴随湿度变化的共振频率的变化大致为线性的,能够根据至少2个不同湿度的气体各自所到达的QCM中检测出的共振频率,求出相对于相对湿度1%的变化的QCM的共振频率变化量。

因此,能够根据初始状态的QCM的相对于相对湿度1%的变化的共振频率变化量与劣化状态的QCM的相对于相对湿度1%的变化的共振频率变化量之比,推算吸附膜表面的能够吸附的吸附位点的比例。然后,使用该比例,对在劣化状态的QCM中检测出的共振频率变化量进行修正以进行校准,从而能够换算为以与初始状态的QCM大致相同的灵敏度水平检测出的共振频率变化量。

如图5所示,在第一QCM 10a中,使用修正系数Rc对在劣化状态的第一QCM 10a中检测出的共振频率变化量即9Hz进行修正而得到的值(修正后的共振频率变化量)为22Hz。该值与由初始状态的第一QCM 10a得到的乙醇的共振频率变化量即20Hz大致相同,输出值的一致率为108%。

同样地,如图5所示,在第二QCM 10b中,使用修正系数Rc对在劣化状态的第二QCM10b中检测出的共振频率变化量即55Hz进行修正而得到的值(修正后的共振频率变化量)为72Hz。该值与由初始状态的第二QCM 10b得到的乙醇的共振频率变化量即70Hz大致相同,输出值的一致率为103%。

在第三QCM 10c中,使用修正系数Rc对在劣化状态的第三QCM 10c中检测出的共振频率变化量即95Hz进行修正而得到的值(修正后的共振频率变化量)为191Hz。该值与由初始状态的第三QCM 10c得到的乙醇的共振频率变化量即200Hz大致相同,输出值的一致率为95%。

在第四QCM 10d中,使用修正系数Rc对在劣化状态的第四QCM 10d中检测出的共振频率变化量即145Hz进行修正而得到的值(修正后的共振频率变化量)为202Hz。该值与由初始状态的第四QCM 10d得到的乙醇的共振频率变化量即210Hz大致相同,输出值的一致率为96%。

在第五QCM 10e中,使用修正系数Rc对在劣化状态的第五QCM 10e中检测出的共振频率变化量即176Hz进行修正而得到的值(修正后的共振频率变化量)为363Hz。该值与由初始状态的第五QCM 10e得到的乙醇的共振频率变化量即350Hz大致相同,输出值的一致率为104%。

在第六QCM 10f中,使用修正系数Rc对在劣化状态的第六QCM 10f中检测出的共振频率变化量即64Hz进行修正而得到的值(修正后的共振频率变化量)为118Hz。该值与由初始状态的第六QCM 10f得到的乙醇的共振频率变化量即120Hz大致相同,输出值的一致率为99%。

如上所述,使用修正系数Rc修正后的共振频率变化量成为以与初始状态的QCM 10大致相同的灵敏度水平检测出的值。

另外,如上所述,在吸收膜12因经时劣化而到达寿命的情况下,QCM 10无法稳定地振荡。这样的无法稳定地振荡的寿命的判断可以如下进行,能够进行气体传感器的寿命的预测。下面,使用图7进行说明。

图7是用于对QCM寿命判断的运算方法进行说明的流程图。

如图7所示,由获取部41获取由频率计数电路31检测出的零点的气体所到达的劣化状态的QCM 10的共振频率(St11)。

接着,由判断部43获取预先存储在存储部45中的零点的气体所到达的初始状态的QCM 10的共振频率(St12)。

接着,由判断部43,基于在St11中获取的劣化状态的QCM 10的共振频率与在St12中获取的初始状态的QCM 10的共振频率之差,判断QCM 10的寿命(St13)。具体而言,在计算出的差大于阈值的情况下,判断为QCM 10已到达寿命,在计算出的差为阈值以下的情况下,判断为QCM 10尚未到达寿命。

如上所述,在本实施方式中,能够根据初始状态的QCM的相对于相对湿度1%的变化的共振频率变化量与劣化状态的QCM的相对于相对湿度1%的变化的共振频率变化量之比,推算吸附膜表面的能够吸附的吸附位点的量。而且,能够使用该比例,对在劣化状态的QCM中检测出的共振频率变化进行修正来进行气体传感器2的输出值的校准。从而,能够将在劣化状态的QCM中检测出的共振频率换算为以与初始状态的QCM大致相同的灵敏度水平检测出的共振频率。从而,能够简便地对检测元件的经时劣化进行修正,能够以稳定的灵敏度水平进行检测。

而且,能够根据由经时劣化引起的劣化程度来推算在使用上述修正系数Rc的输出修正中不能修正的传感器寿命。因此,在判断为已到达寿命的情况下,能够迅速地进行QCM和气体传感器的更换,在从QCM和气体传感器的使用开始到更换为止的期间,能够维持与初始状态的灵敏度水平大致相同的水平,能够稳定地进行气体检测。

<第二实施方式>

在第一实施方式中,列举了设置具有除湿除臭过滤器的第一流路和具有除臭过滤器的第二流路,求出用于对气体传感器2的输出值进行校准的修正系数的例子,但是并不限于此。也可以是构成为,不设置除湿除臭过滤器和除臭过滤器,而使用湿度不同的至少2种标准气体来求出修正系数。下面,使用图9进行说明。在下面的说明中,对与上述相同的构成要素标注相同的附图标记并省略说明。

图9是第二实施方式的气体检测系统101的概略示意图。

如图9所示,气体检测系统101包括气体传感器102、运算装置4和显示装置5。

如图9所示,气体传感器102具有:吸气口21;监测用流路126;温湿度检测用流路127;作为供分别通过2个流路126、127的气体流入的1个流路的多阵列传感器用的流路128。

吸气口21用于从外部吸入检测对象气体23。

从吸气口21被吸入的气体能够被引导至2个流路126、127。

各流路126、127能够将检测对象气体23引导至被配置在流路128上的多阵列传感器6。

能够利用未图示的风扇、泵等以机械方式将气体以一定的流速导入各流路126、127。从而,能够消除由流速的差异等引起的压力变化所带来的干扰因素。另外,在各流路中设置有未图示的阀,能够利用阀的开闭来控制有无从外部向各流路导入气体。

如图9所示,气体传感器2包括除湿除臭过滤器32、除臭过滤器33、温湿度传感器30、多阵列传感器6、第一频率计数电路31a、第二频率计数电路31b、第三频率计数电路31c、第四频率计数电路31d、第五频率计数电路31e和第六频率计数电路31f。

在气体检测系统101中,可以使用不具有气味成分且湿度彼此不同的第一标准气体和第二标准气体,求出用于对气体传感器102的输出值进行校准的修正系数Rc。第一标准气体为零点的气体。第一标准气体和第二标准气体中不包含气味成分。

运算装置4的存储部45预先存储在初始状态的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率和伴随相对湿度1%的变化的共振频率变化量。

上述在初始状态的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率,是第一标准气体通过监测用流路126到达初始状态的各QCM 10a~10f时检测出的共振频率,预先被存储在存储部45中。

上述伴随湿度变化的共振频率变化量,是基于通过了上述监测用流路126的第一标准气体到达初始状态的各QCM 10a~10f时检测出的共振频率、通过了监测用流路126的第二标准气体到达初始状态的各QCM 10a~10f时检测出的共振频率、和第一标准气体和第二标准气体通过温湿度检测用流路127由温湿度传感器30检测出的湿度信息而预先计算出的、相对于相对湿度1%的变化的各QCM 10的共振频率变化量。此外,在第一标准气体和第二标准气体的湿度已知的情况下,也可以不特别使用温湿度传感器30的湿度信息。

存储部45将由后述的计算部42计算出的修正系数Rc按时间序列存储。

另外,存储部45对于不同种类的每种气体预先存储由多阵列传感器6检测出各种气体时的参照用检测模式。

识别部46的结构与第一实施方式相同。

获取部41获取从各频率计数电路31a~31f输出的各QCM 10a~10f的共振频率的电信号、和由温湿度传感器30检测出的温度和湿度信息。

更详细而言,获取部41获取在第一标准气体、第二标准气体分别到达的劣化状态的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率。

获取部41获取在通过了监测用流路26的检测对象气体23所到达的劣化状态的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率。

获取部41获取由温湿度检测用流路127的温湿度传感器30检测出的温度和湿度信息。

计算部42基于通过了监测用流路126的第一标准气体、第二标准气体分别到达劣化状态的各QCM 10a~10f时检测出的共振频率、和第一标准气体和第二标准气体通过温湿度检测用流路127由温湿度传感器30检测出的湿度信息,计算相对于相对湿度1%的变化的劣化状态的各QCM 10的共振频率变化量ΔF(a)。另外,在第一标准气体和第二标准气体的湿度已知的情况下,也可以不特别使用温湿度传感器30的湿度信息。

计算部42获取预先存储在存储部45中的初始状态的各QCM 10a~10f的相对于湿度变化的共振频率变化量ΔF(0)。

计算部42将劣化状态的各QCM 10a~10f的相对于湿度变化的共振频率变化量ΔF(a)与存储在存储部45中的初始状态的各QCM 10a~10f的相对于湿度变化的共振频率变化量ΔF(0)的比例Rc作为修正系数,使用下式进行计算。

Rc=ΔF(0)/ΔF(a)

式中,ΔF(a)是劣化状态的QCM中的相对于相对湿度1%的变化的共振频率变化(Hz),ΔF(0)是初始状态的QCM中的相对于相对湿度1%的变化的共振频率变化(Hz)。

修正系数的计算按QCM 10a~10f中的每一个进行计算。

计算部42基于在通过了监测用流路126的检测对象气体23所到达的劣化状态的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率,计算共振频率变化量。

进而,计算部42使用修正系数Rc,对通过了监测用流路126的检测对象气体23所到达的劣化状态的各QCM 10a~10f的共振频率变化量进行修正,计算换算成初始状态的灵敏度水平的共振频率变化量。

更具体而言,对通过了监测用流路126的检测对象气体23所到达的劣化状态的各QCM 10a~10f的共振频率变化量的值乘以修正系数Rc来计算共振频率变化量。从而,能够修正为与初始状态大致相同的灵敏度水平时的输出值。

接着,使用图10的流程图说明在运算装置4中进行的修正系数的计算中使用的伴随湿度变化的共振频率变化量的运算方法。该共振频率变化量的计算在初始状态、劣化状态下也是同样的。

如图10所示,由获取部41获取从各频率计数电路31a~31f输出的在通过了监测用流路126的第一标准气体所到达的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率的电信号(St21)。

接着,由获取部41获取从各频率计数电路31a~31f输出的在通过了监测用流路126的第二标准气体所到达的各QCM 10a~10f中检测出的共振频率的电信号(St22)。

接着,由获取部41获取由温湿度传感器30检测出的第一标准气体和第二标准气体各自的湿度信息(St23)。

接着,由计算部42,使用在St21中获取的作为通过了监测用流路126的第一标准气体的检测结果的共振频率、在St22中获取的作为通过了监测用流路126的第二标准气体的检测结果的共振频率、和在St23中获取的由温湿度传感器30检测出的湿度信息,计算相对于相对湿度1%的变化的各QCM 10a~10f的共振频率变化量(St24)。

如上所述,能够使用标准气体,计算用于求出修正系数Rc的相对于相对湿度1%的变化的各QCM 10a~10f的共振频率变化量。关于修正系数的计算、使用修正系数的输出水平的修正,与第一实施方式相同,因此在此省略说明。

也可以像本实施方式那样使用标准气体进行校准,能够与第一实施方式同样地以稳定的灵敏度水平进行气体的检测。

另外,在第一实施方式中,设置有具有除湿除臭过滤器的第一流路和具有除臭过滤器的第二流路,因此,在计算修正系数Rc时不需要准备标准气体。

在上述的各实施方式中,通过定期地或者在任意的时刻进行上述校准,能够简便地对检测元件的经时劣化进行修正,能够始终将灵敏度维持为一定水平,能够进行具有定量性的监测。

另外,通过基于初始状态的QCM与劣化状态的QCM的共振频率之差来推算传感器寿命,能够始终将灵敏度维持为一定水平,能够进行具有定量性的监测。

另外,因为气体传感器始终被维持为一定水平的灵敏度,所以能够将气体的有无和种类的识别精度维持为一定水平。即,能够由识别部46,将由计算部42使用修正系数Rc修正后的检测模式与参照检测模式进行对照并进行模式识别来判断气体的有无和种类,因此,能够将气体的有无和种类的识别精度维持为一定水平。如上所述,能够抑制由经时劣化导致的QCM的灵敏度水平的降低对模式识别的识别精度造成影响。

另外,在上述各实施方式中,计算劣化状态的QCM的相对于湿度变化的共振频率变化量、并根据该共振频率变化量与初始状态的QCM的相对于湿度变化的共振频率变化量之比求出修正系数Rc的处理,能够在数分钟内进行。

因此,在本实施方式中,与利用需要数小时的加热工序进行刷新来进行校准的情况相比,能够以非常短的时间进行校准,时间效率提高。

另外,也可以是通过对配置QCM的流路内进行除臭或进行加热来对QCM进行刷新。即使在这样的情况下,即使在吸附膜中残留有在刷新工序中不能除去的气味成分,通过像本实施方式那样求出修正系数Rc来对共振频率变化进行修正,也能够以与初始状态大致相同的灵敏度水平进行气体的检测。

本发明并不仅限于上述的实施方式,当然可以施加各种变更。

附图标记说明

1、101…气体检测系统,2、102…气体传感器,4…运算装置,10a…第一QCM(检测元件),10b…第二QCM(检测元件),10c…第三QCM(检测元件),10d…第四QCM(检测元件),10e…第五QCM(检测元件),10f…第六QCM(检测元件),12…吸附膜,13…振子,23…检测对象气体,24…第一流路,25…第二流路,26…第三流路,32…除湿除臭过滤器(除湿和除臭机构),33…除臭过滤器(除臭机构),42…计算部,43…判断部,44…存储部。

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